Nejprve se podívejme do historie vývoje plastikářského průmyslu.
• Vůbec prvním plastovým materiálem vyráběným v průmyslu byl ebonit. Byl získán v roce 1843 vulkanizací přírodního kaučuku sírou. Pro elektrickou izolaci byl použit ebonit.
• V roce 1868 byl získán celuloid na bázi nitrátů celulózy a v roce 1897 galalit. Byl získán na bázi kaseinu. Celuloid a galalit byly použity jako náhrada za slonovinu a želví krunýře při výrobě galanterních výrobků.
• Na počátku minulého století na základě děl G.S. Petrov a L. Baekeland poprvé v průmyslu začali vyrábět syntetické polymery na bázi fenolformaldehydových polymerů. Fenolické plasty se staly obzvláště široce používány kvůli jejich snadné výrobě a vynikajícím elektrickým a mechanickým vlastnostem.
• V roce 1921 výrobci zvládli výrobu alkydových polyesterů nebo jinými slovy trojrozměrných polyesterů. Ve stejném roce se aktivně rozvíjela výroba močovinových polymerů, které byly následně použity k výrobě aminoplastů.
• Ve 30. letech XNUMX. století se polymery začaly vyrábět polymerační reakcí. Přibližně ve stejné době se začal vyrábět polystyren průmyslovými metodami.
• Průmyslová výroba plastů se ve 40. letech nezastavila, takže zhruba v té době začali výrobci zavádět technologii výroby polyvinylchloridu, polyvinylacetátu a různých dalších materiálů. Známými se staly také způsoby výroby polyuretanů, polyesterů, organokřemičitých sloučenin a polyamidů.
• V roce 1942 byla organizována výroba vysokohustotního polyetylénu nebo nízkohustotního polyetylénu.
• V roce 1956 se začal vyrábět polyethylen získaný polymerací ethylenu za nízkého tlaku a za použití Zieglerových katalyzátorů (komplex triethylaluminia a chloridu titaničitého).
• Zhruba od 50. let začali vyvíjet metody výroby plastů na bázi epoxidových pryskyřic a proplastů a také pěnových plastů, což jsou plynem plněné syntetické materiály.
Poměrně dynamický vývoj chemie sloučenin s vysokou molekulovou hmotností (HMW) přispěl ke vzniku některých polymerů se speciálními vlastnostmi. Takové polymery zahrnují polyheteroaryleny, polyestery, polyolefiny, aromatické polysulfidy, polysulfony a některé další.
• Po 60. letech začal vývoj různých modifikací již vyráběných syntetických materiálů.
• Plastikářský průmysl je dnes považován za jedno z předních odvětví národního hospodářství. Poměrně rychlé tempo rozvoje výroby plastů je způsobeno dostupností dostupné a levné surovinové základny a snadností získávání výrobků z daných materiálů.
Ropné produkty a zemní plyny
Jedním z hlavních zdrojů surovin pro polymerní materiály jsou ropné produkty a zemní plyny. Ethylen a propylen se nacházejí v plynech z krakování ropy. Z těchto nenasycených sloučenin se získá polyethylen a polypropylen. Ethylen a benzen slouží jako základ pro styren, který slouží jako zdroj pro polystyren.
U zemního plynu je jeho hlavní složkou metan, ze kterého se získává acetylen a z něj následně polyvinylchlorid a polyvinylacetát. Metan také produkuje formaldehyd, který slouží jako základ pro aminoplasty a fenoplasty.
Fenol, který se získává z benzenu a propylenu, je zase surovinou pro výrobu fenolových plastů.
Surovinou pro polymery močoviny je močovina, která se syntetizuje z amoniaku a oxidu uhličitého.
Polymerní materiály jsou
Pojem „polymerní materiály“ spojuje tři složky: polymery, plasty a jejich morfologickou rozmanitost – PCM (polymerní kompozitní materiály). Polymerní kompozitní materiály se také nazývají zesílené plasty. Všechny tři skupiny polymerních materiálů jsou syntetické plasty. Všechny tři vybrané skupiny spojuje skutečnost, že díky polymerní složce jsou určeny technologické a tepelně deformační vlastnosti materiálů. Polymerní složka přímo odkazuje na část, která tvoří vysokomolekulární látku vytvořenou v důsledku chemické reakce mezi monomery. Termín „polymery“ znamená homopolymery (látky s vysokou molekulovou hmotností) s přidanými přísadami určenými ke změně různých vlastností materiálu. Polymery jsou homofázové materiály, které si zachovávají všechny fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou homopolymerům vlastní.
Plasty – kompozitní materiály na bázi polymerů, které obsahují plniva, pigmenty nebo jiné složky. Všimněte si, že plniva netvoří spojitou fázi. Dispergované médium je v disperzním médiu nebo jinými slovy, plniva jsou v polymerní matrici. Plasty jsou heterofázové materiály s fyzikálními makrovlastnostmi identickými ve všech směrech. Je známo, že plasty se dělí na dvě velké skupiny: termosety a termoplasty.
Termoplastické polymery (termoplasty) zahřátím změknou a po ochlazení ztvrdnou. Tento proces je vratný a samotné termoplasty nepodléhají žádným chemickým změnám. I při opakovaném zpracování si zachovávají svou tvarovatelnost.
termosetové polymery (termosety) při zahřátí vzniká netavitelný a nerozpustný materiál. Nejsou předělané.
Všimněte si, že téměř všechny plasty, které vidíme jako obaly, jsou termoplasty. Patří sem například PE (polyethylen), PP (polypropylen), PS (polystyren), PVC (polyvinylchlorid), PET (polyethylentereftalát), nylon (nylon), polyvinylalkohol a další. Plasty se také dělí do kategorií v závislosti na způsobu polymerace: polyadiční metoda a polykondenzační metoda. Polymery, které jsou produkovány polyadičními reakcemi, jsou produkovány buď mechanismem volných radikálů nebo iontů. Tímto způsobem se do rostoucího řetězce přidávají malé molekuly, aniž by se tvořily doprovodné molekuly. Polykondenzační polymery se vyrábějí vzájemnou interakcí funkčních skupin za vzniku polymerního řetězce a nízkomolekulárního reakčního produktu.
Polymerizace – proces získávání vysokomolekulárních sloučenin (HMC), který probíhá adičním mechanismem a obvykle není doprovázen uvolňováním vedlejších produktů. Molekuly, které podléhají polymeraci, se nazývají monomery.
n – stupeň polymerace, udává počet elementárních jednotek. Ze stejných monomerů lze změnou stupně polymerace získat různé polymery s různými vlastnostmi. Například PE se stupněm polymerace n=20 je kapalný a PE se stupněm polymerace n=2000 je pevný, ale zároveň dosti pružný materiál.
Dimery a trimery mohou být získány jako výsledek takové reakce, která zahrnuje malý počet molekul.
Někdy se k provedení polymerační reakce používají různé katalyzátory nebo zvýšený tlak. Ale hlavní roli v procesu hraje struktura monomeru vstupujícího do reakce. Polymerační reakci je možné iniciovat působením volných radikálů nebo iontů – kationtů a aniontů. Existují tedy tři mechanismy polymerace: kationtová, aniontová nebo radikálová.
Fyzikálně-chemické vlastnosti plastů přímo závisí na jejich chemickém složení, průměrné molekulové hmotnosti, distribuci molekulové hmotnosti, způsobu výroby a typu zaváděných přísad.
Polymerní kompozitní materiály (PCM) – druh plastu, kde se používají výztužná plniva: plsť, vlákna, pásky, monokrystaly). V polymerních kompozitních materiálech tvoří spojitou fázi. Mezi PCM se rozlišují také laminované plasty. Tato morfologie umožňuje získat materiály s velmi působivými vlastnostmi různého druhu, například únavovou, elektrickou a deformační pevností.
Strukturní vzorec polymeru je zapsán následovně: elementární jednotka je uzavřena v kulatých nebo hranatých závorkách a vpravo dole je přidáno písmeno n.
Například strukturní vzorec pro polyethylentereftalát je následující:
Každý polymer má také molekulární vzorec, který odráží obsah různých atomů, ze kterých je elementární jednotka postavena. Pro PET vypadá molekulární vzorec takto: (C10H8O4)n a znamená, že v elementární jednotce je 10 atomů uhlíku, 8 atomů vodíku a 4 atomy kyslíku.
Hlavní skupiny polymerů
Podle rozsahu výroby lze plasty rozdělit do několika hlavních skupin.
Polyolefiny
Do první skupiny patří polymery, jejichž produkce se v celosvětovém měřítku měří v milionech tun. Tato skupina zahrnuje polyolefiny, polystyren, polyvinylchlorid, fenoly, polyethylen a močovinové polymery.
Polyolefiny jsou třídou BMC získaných z NMC (nízkomolekulární sloučeniny – olefiny nebo monomery). Získávají se z ropy nebo zemního plynu homopolymerizací nebo kopolymerací monomerů v přítomnosti katalyzátoru.
Polyvinylchlorid nebo PVC je bezbarvý průhledný plast, termoplastický polymer vinylchloridu. V čisté formě se používá jen zřídka kvůli své křehkosti. Je považován za levný materiál. Zpracování na fólii je možné vytlačováním nebo vyfukováním. Korozivní a tepelně nestabilní. Při hoření se uvolňuje toxická látka – dioxin.
Fenolické plasty jsou termosetové plasty na bázi fenolaldehydových pryskyřic, které obsahují všechny druhy plniv a přísad. Jsou odolné vůči korozi, trvanlivé, vysoce rozpustné v alifatických a aromatických uhlovodících a také rozpustné ve vodných roztocích alkálií a polárních rozpouštědel. Vyrábějí se z nich laky, lepidla, spínače, brzdové obložení atd.
Polyethylen je termoplastický polymer ethylenu, bílá hmota. Je to dielektrikum, chemicky odolný a dobrý tlumič nárazů. Nejčastěji se vyskytuje ve formě obalového materiálu, používá se při výrobě trubek, pancíře a trupů lodí. Existují LDPE a HDPE.
Močovinové polymery jsou plasty vyráběné na bázi syntetických pryskyřic získaných interakcí mezi močovinou, melaminem a dalšími sloučeninami obsahujícími aminy s aldehydy. Použitelné při výrobě překližky, dřevovláknitých desek atd.
Technické polymery
Do druhé skupiny patří strukturní polymery: polyamidy, polyestery, polyuretany, epoxidové polymery, polykarbonáty, akrylové polymery, organokřemičité polymery, polyacetaly. Jejich průmyslová produkce se pohybuje v desítkách tisíc tun.
Polyamidy jsou plasty na bázi lineárních syntetických vysokomolekulárních sloučenin obsahujících amidové skupiny –CONH– v hlavním řetězci. Polyamidy nacházejí uplatnění ve strojírenství, automobilovém průmyslu, letectví, textilním průmyslu, ale i medicíně a dalších oborech.
Polyestery – Polymery získané polykondenzací vícesytných kyselin nebo jejich anhydridů s vícesytnými alkoholy.
Polyuretany jsou heterořetězcové polymery, jejichž makromolekula obsahuje nesubstituovanou a/nebo substituovanou uretanovou skupinu −N(R)−C(O)O−, kde R je H, alkyly, aryl nebo acyl. Polyuretany jsou syntetické elastomery a jsou široce používány v průmyslu díky široké škále pevnostních charakteristik. Používají se jako pryžové náhražky při výrobě produktů pracujících v agresivním prostředí, v podmínkách vysokého střídavého zatížení a teplot. Rozsah provozních teplot – od −60 °C do +80 °C.
Specifické polymery
Do třetí skupiny patří polymery, které se průmyslově nevyrábějí v tak velkém měřítku. To je způsobeno specifickými vlastnostmi těchto polymerních materiálů. Jsou poměrně drahé, ale nenahraditelné. Patří sem polyimidy, polyaryláty, polybenzimidazoly, polyfenyleny, iontoměniče, polysulfony atd.
Polyimidy jsou třídou polymerů obsahujících imidové kruhy v hlavním řetězci, obvykle fúzované s aromatickými nebo jinými kruhy. Jsou to chemicky a tepelně stabilní sloučeniny a mají pozoruhodné mechanické vlastnosti. Používají se k výrobě kompozitních materiálů. Mají také vysokou pevnost v tahu. Špatně se rozpouštějí.
Polyaryláty jsou polyestery obecného vzorce [—(O)CRC(O)OArO-]n, kde R je zbytek dikarboxylové kyseliny a Ar je dvouatomový fenolový zbytek Polyaryláty jsou zejména aromatické polykarbonáty.
Video tutoriál vysvětluje, jak se používají základní polymery, popisuje jejich vlastnosti a poskytuje vizuální diagramy pro výrobu polymerů.
V tuto chvíli nemůžete sledovat ani distribuovat videolekci studentům
Chcete-li získat přístup k tomuto a dalším výukovým videím sady, musíte ji přidat do svého účtu.
Získejte neuvěřitelné příležitosti
Shrnutí lekce „Chemie a výroba polymerů“
Polykarbonát, polystyren, polyethylen, polyvinylchlorid, polypropylen, pryže – je to všechno kolem nás polymery. Bez těchto látek je život moderního člověka nemyslitelný.
Základem výroby polymeru je olej и zemní plyn, tedy jejich zpracované produkty. Tato surovina se používá jako palivo v tepelných elektrárnách, jako palivo pro automobily a pro domácí potřeby.
Dnes se v laboratořích denně objevují stovky druhů polymerních sloučenin.
Ropa a zemní plyn jsou směs látek, abychom z nich získali polymery, je nutné izolovat látky z ropy a zemního plynu a zpracovat je.
Jak k tomuto procesu dochází? Za prvé, závod na zpracování plynu přijímá související ropné plyny, které se tvoří během procesu rafinace ropy. Přidružené ropné plyny jsou v závodě separovány na suchý plyn, který je již vyčištěn a využíván k výrobě elektřiny v tepelných elektrárnách a část je využívána pro vytápění domů.
Druhá část přidružených plynů, tzv. NGL (široká frakce lehkých uhlovodíků) je rozdělena na samostatné složky – frakce v důsledku různých teplot varu. Výstupem jsou zkapalněné uhlovodíky, především propan, butan, isobutan a další uhlovodíky.
Propan a butan se používají k vytápění domácností nebo jako palivo do automobilů. Většina z nich se však posílá do petrochemické výroby, kde se provádí proces výroby polymerů z monomerů za přítomnosti katalyzátorů.
Dřevo, látky a dokonce i kovy lze nahradit plasty. Plasty se používají k výrobě nádobí, nábytku a spotřebičů.
Plasty jsou polymery. Termoplastické plasty, mezi které patří polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid, polystyren a další, se zahřátím stávají kapalnými a po ochlazení získávají požadovaný tvar. Mohou být mnohokrát roztaveny a ochlazeny, aniž by ztratily své vlastnosti.
Suroviny pro výrobu plastu jsou umístěny v násypce, poté jsou pomocí pístu přiváděny do ohřívače. V extruderu se plast zahřeje a následně vytvaruje do požadovaného tvaru.
Nejdůležitější monomery při výrobě polymerů jsou:
Trubky, fólie a sáčky jsou vyrobeny z polyetylenu.
Suroviny pro výrobu polypropylen to je propylen. Získává se z něj polypropylen se stereoregulární strukturou.
V důsledku procesu polymerace propylenu se získá hmota ve formě bílého prášku s molární hmotností více než dvě stě tisíc. polypropylen V mnoha ohledech má lepší vlastnosti než polyethylen, například je odolnější. Polypropylen se následně zpracovává na výrobky. Jak k tomuto procesu dochází?
Výchozí materiál – polypropylenové granule – se plní do násypky, zde se roztaví a roztavená hmota se uvolní přes matrice. Poté se polypropylen ochladí, nařeže na proužky a navine na cívky.
Polypropylen se používá k výrobě dílů do automobilů, koberců, domácích potřeb, nádobí, domácích spotřebičů, lékařských nástrojů, motouzů, provazů, trubek, používá se při výrobě technických a textilních vláken a při výrobě plechů na obložení automobilů.
Polystyren se používá jako izolace pro bydlení, při výrobě lékařských nástrojů a pro výrobu obalů.
Z PVC dělat okna, podhledy.
Poprvé v roce 1932 Lebedev syntetizoval kaučuk.
v současné době syntetický kaučuk se získává z ropy a plynu. Surovinou pro výrobu pryže bude isopren, z něj lze získat syntetický kaučuk stereoregulární struktury, který je svými vlastnostmi podobný přírodnímu kaučuku.
Kaučuk lze také získat z butadienu – divinyl. Surovinou pro něj je plynný butan, který se uvolňuje z ropných uhlovodíků. Výsledkem je dehydrogenace butanu butylen, pak divinyl. Divinyl se podrobí polymeraci, získá se tzv. latex, který se dostává do dílny na extrakci kaučuku. Výsledná pryž jde do pásového licího stroje, dále do sušiček, poté se lisuje do briket.
Pryž je potřeba při výrobě pryže, pneumatik a obuvi.
Polykarbonátové Je to také polymer, je průhledný, jako sklo a lehký. Dá se dokonce poškrábat nehtem, ale není odolný vůči ultrafialovému světlu.
Základem fenolformaldehydových plastů je guma. Získává se polykondenzační reakcí fenolu a formaldehydu v přítomnosti katalyzátoru.
Celý proces probíhá v reaktoru vybaveném míchadlem, kde je plášť, ve kterém je pára pro ohřev polykondenzačních produktů nebo voda pro jejich chlazení. Reaktor má poklop pro plnění surovin a katalyzátoru. Pro zachycení par je nad reaktorem instalován kondenzátor – chladnička. Kondenzát lze opět vrátit do reaktoru.
V tomto reaktoru se výchozí směs míchá a zahřívá párou, teplota je zde 96-98 stupňů Celsia. Z reaktoru se páry dostávají do kondenzátoru, kde jsou ochlazovány vodou a proudí zpět do reaktoru. V reaktoru se tvoří lineární pryskyřice. Jakmile je produkt připraven, pryskyřice teče do chlazených vozů. Ochlazená pryskyřice je rozdrcena a odeslána ke zpracování.
Fenolformaldehydová pryskyřice je termosetový plast. Při zahřátí se roztaví, přejde do nízkotavného stavu a následně se z něj lisováním za tepla vyrábí výrobky.
Fenolformaldehydové pryskyřice se používají k výrobě vložek pro ložiska, brzdové destičky a azbest-textolit.
polyesterová vlákna také získané z produktů chemického zpracování ropy a plynu. Dacronové vlákno se získává z xylenu, který se oxiduje na kyselinu tereftalovou. Esterifikační reakcí se z kyseliny tereftalové získá dimethyltereftalát.
Dimethyltereftalát se smíchá s ethylenglykolem, teplota se zvýší a pára ethylenglykolu se vrátí do autoklávu přes chladničku. Reakční hmota je protlačena matricemi a jde k transesterifikaci. Zde se tvoří Dacron pryskyřice.
Pryskyřice se pak nalévá do forem a posílá se do šachty k ochlazení. Poté se ochlazená pryskyřice rozdrtí a drobky se pošlou do přádelny, kde se vytvoří vlákno. To znamená, že se drobky roztaví, udělají se z nich nitě, které se ochladí a navinou na cívky.
Lavsan má velkou pevnost a pružnost. Z lavsanu jsou vyrobeny látky odolné proti opotřebení, lana, rybářské sítě, dopravní pásy a oblečení.
Nitronové vlákno získaný kopolymerační reakcí akrylonitrilu.
Monomer vstupuje do reaktoru, kde probíhá polymerační proces. Monomery jsou odstraněny a přefiltrovaný roztok vstupuje do přádelny.
Zvlákňovací roztok je protlačován průvlaky, poté do lázně, kde proudy polymeru ztvrdnou a stanou se plastickou. Polymer se suší a dále zpracovává. Nitronové vlákno neničí plíseň a na slunci nevybledne. Vyrábějí se z něj koberce, plachty a stany.
Surovinou pro výrobu polymerů jsou tedy ropa a zemní plyn. Polymery se získávají polymeračními a polykondenzačními reakcemi. Polymery jako plasty a vlákna jsou široce používány ve všech oblastech národního hospodářství.
